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TERMODINÁMICA DEL AGUA II
SUSTANCIAS PURAS
CURVAS DEL AGUA
ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO
TORO
REVISÓ PhD CARLOS A. ACEVEDO
Presentación hecha exclusivamente con el fin
de facilitar el estudio.
25 °C
A 100 ° agua saturada
Mezcla de agua saturada
+ vapor saturado a100 °C
Región de 2 fases
Solo agua saturada
Solo vapor
saturado
T y P son constantes:
100 °C y 1 atm
v
Aún una fase
Figura 1. Agua comprimida y saturada, vapor saturado y vapor sobrecalentado.
SIMULACIÓN CALENTAMIENTO AGUA
http://www.gifss.com/agua/cataratas/index2.htm
Vapor saturado
Se puede decir que es saturado porquecon un mínimo de energía que se leagregue deja de ser saturado y seconvierte en sobrecalentado.
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El vapor está saturado de energía
También porque está a punto de volversea condensar.
Si eventualmente se pierde una mínimacantidad de calor en el vapor saturado,se condensará (cambio de fase de vapora líquido).
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5
Vapor saturado100 °C, 1 atm
Vapor sobrecalentado
Agua saturada
100 °C, 1 atm
Si gana energía
Si pierde energía
Figura 2. Si el vapor saturado gana E, pasa a vapor sobrecalentado, si la pierde
pasa a agua saturada. De otra manera, si al agua saturada se le agrega E, pasa a
vapor saturado, y luego a vapor sobrecalentado.
+ 100 °C
Si un líquido saturado se calienta en unrecipiente cerrado, el espacio libre sobreel líquido se llena rápidamente de vapor.
Llega un momento donde las moléculas degas comienzan a condensarse de nuevo, avolverse líquidas.
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Cuando el número de moléculas que seconvierten en gas, son iguales al númerode las se condensan, se dice que selogrado el equilibrio.
Para lograr que siga aumentandorápidamente la vaporización se requiereretirar el vapor producido.
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Esta es la razón por la cual un líquido se enfría muy pronto cuando se induce una corriente de aire sobre él.
Las moléculas de aire retiran lasmoléculas de vapor de la superficie dellíquido. Las nuevas moléculas de vaporextraen energía térmica del líquido.
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En otras situaciones, las moléculas delíquido sobre un líquido, o sobre el cuerpohumano que pasan a vapor lo hacenporque extraen energía térmica dellíquido o del cuerpo. Por tanto lo enfrían.
Esta es una de las bases de larefrigeración.
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Vapor sobrecalentado
Inmediatamente que toda el aguasaturada se ha transformado en vapor, sise continua agregando calor, aumenta denuevo la temperatura en el vapor y estese denomina vapor sobrecalentado.
Por tanto se tiene de nuevo una regiónde una sola fase. Pero esta es vaporsobrecalentado.
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http://web.educastur.princast.es/ies/pravia/carpetas/profes/departam/mates/musica/08_La%20fisica%20del%20sonido/02_Movimiento%20ondulatorio/ondas2.gif
En este punto, transferir más calor alvapor sobrecalentado da como resultadoun aumento de temperatura y devolumen específico.
Entre más calor agregado más energíatérmica tendrá el vapor sobrecalentado ymayor capacidad de realizar un trabajo.
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Un vapor que no ésta a punto decondensarse, es decir no es vaporsaturado, se denomina vaporsobrecalentado.
Notar que la T del vapor sobrecalentadoes mayor que la del vapor saturado.
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1313
Agua saturada + Vapor saturado
solo agua saturada
solo vapor
saturado
T y P son constantes:
100 °C y 1 atm
T
Figura 3. Agua líquida comprimida, mezcla de agua saturada y vapor
saturado, vapor sobrecalentado a 1atm. http://web.educastur.princast.es/ies/pravia/carpetas/profes/departam/mates/musica/08_La%20fisica%20del%20sonido/02_Movimiento%20ondulatorio/ondas2.gif
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http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/56-cambios-de-estado-diagramas-de-calentamiento-diagramas-de-fase.html
Figura 4 . Curva completa de calentamiento general para una
sustancia pura desde el estado sólido hasta el gaseoso.
Observe que el agua hierve o comienzaa pasar a vapor a 100 °C cuando lapresión es 1 atm.
A 1 atm el agua hierve a 100 °C.
Si se aumenta la presión qué pasará conla temperatura a la cual hierve el agua?
¿Se requerirá de mayor temperatura?
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¿El agua podrá hervir a otras temperaturas y presiones?
La respuesta es rotundamente si. El aguapuede pasar a vapor a otrastemperaturas y presiones.
Si se aumenta la presión, también latemperatura aumentará.
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Si se disminuye la presión, la temperatura a la cual el agua hierve también disminuirá.
Para una P1 hay una T1
Para una P2 existe una T2
Estos pares (T, P) de valores se denominan
temperaturas y presiones de saturación.
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.
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LINC INTERESANTE
Tablas de saturación
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.
.
.
Los alimentos se cuecen más rápido auna temperatura mayor.
A una presión más alta se logra másrápido una mayor temperatura.
Por tanto a una mayor presión se lograuna cocción más rápida.
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El calentamiento más rápido o una cocciónmás rápida, no implica necesariamente quesea a la temperatura de ebullición normal.
Se puede cocer más rápido a 115 °C sinebullición, que a 100 °C con ebullición.
Esto lo logran las ollas a presión o lasmicroondas.
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Ahttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/vappre.html#c3
LINC INTERESANTE
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Las sustancias puras se emplean enmuchos sistemas de ingeniería,incluyendo las plantas de potencia,muchos sistemas de refrigeración ysistemas de distribución térmica que usanel agua o el vapor de agua paratransportar la energía.
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Domo del agua
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02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3002/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 30(Cengel, 2009)
Figura 5. Diferentes curvas de calentamiento del agua a varias presiones.
Comienza a hevir a T mayor que 100 °C
Comienza a hervir a 100 °C100 °C
Líneas de líquido saturado y vapor saturado a diversas presión.
Puntos Puntos
Figura 6. Si se unen los puntos de sólo líquido saturado abcdef (donde comienza a
hervir el agua) con todos los de sólo vapor saturado fhijkL, se obtiene una curva
abcdefhijkl de propiedades para el agua a diferentes presiones. Tiene forma de
campana o domo.Cengel, 2009)
100 °C
180 °
a
b
c
d
ef
h
i
j
k
L
De la Figuras 5 y 6 se deduce que:
A 1 atm (0,1 GPa) el agua hierve a 100 °C
A 1 Mpa el agua hierve a 180°C
Entre más presión el agua hierve a T mayor.
El volumen específico del agua saturada (cuando comienza a hervir) es mayor mientras mayor sea
la presión. (los puntos abcde agua saturada se van corriendo
a la derecha).
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El volumen específico del vapor saturadoes menor a mayor presión.
Lo anterior porque los puntos Lkjih desolo vapor saturado se van corriendo a laizquierda a medida que la presiónaumenta.
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Línea de líquido saturado.
La línea izquierda abcdef que une lospuntos donde el agua comienza a hervir opuntos de saturación del agua, sedenomina línea de líquido saturado.(puntos de solo agua saturada) Figura 7.
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3535
Figura 7. La línea abcdef es la unión de todos puntos donde
el agua comienza a hervir a diferentes presiones o puntos
de líquido saturado total. Es por tanto la línea de líquido
saturado.
a
c
d
e
f
http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html
b
Línea de líquido saturado
Línea de líquido saturadoT
Línea de vapor saturado
La línea derecha fhijkL que une los puntosdonde solo existe vapor saturado sedenomina línea de vapor saturado.
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02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3702/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 37
Figura 8. La línea fhijkL es la unión de todos los puntos de
vapor saturado total. Es por tanto la línea de vapor saturado.
f
h
i
j
kL
http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html
Línea de vapor saturado
Línea de vapor saturadoT
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Figura 9. Toda la región azul a la izquierda de la línea abcdef es
la unión de todas las diferentes líneas de líquido comprimido. Es
por tanto la “Región de Líquido comprimido”.
a
c
d
e
f
Líquido
comprimido
h
i
j
kL
http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html
Líquido
comprimido
Líquido
comprimidob
Región de líquido comprimidoT
Figura 10. La región interior naranja entre las líneas abcdef
y hijkL es la unión de todas las líneas saturadas de líquido y
vapor o de mezcla líquido saturado y vapor saturado . Es
por tanto la “Región de saturación líquido vapor”.
a
c
d
e
f
Líquido
comprimido
h
i
j
kL
http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html
Región de saturación líquido y vapor
Región de saturación líquido y vapor
Región de saturación líquido y vapor”
Región de saturación líquido y vapor
Líquido
comprimido
Líquido
comprimidob
TRegión de saturación líquido vapor
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Figura 11. La región a la derecha de la línea fhijkL es la
“Región de vapor sobrecalentado”
a
b
c
d
e
f
h
i
j
kL
http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentadoT
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a
c
d
e
f
Líquido
comprimido
h
i
j
kL
http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html
Región de saturación líquido y vapor
Región de saturación líquido y vapor
Región de saturación líquido y vapor”
Región de saturación líquido y vapor
Líquido
comprimido
Líquido
comprimidob
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentado
Región de vapor sobrecalentado
T
Punto crítico
En f la línea se vuelve un punto.
Este punto se llama punto crítico porquees él ya no hay diferencia entre losestados líquido y gaseoso.
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Es el punto en que los estados de líquidosaturado y vapor saturado coinciden: sonlos mismos
Arriba del punto crítico el agua líquidapasa directamente a vapor sin formarsemezcla de agua líquida saturada y vaporsaturado.
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http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html
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En el punto f La presión, la temperatura yel volumen específico se denominan:
Presión crítica
Temperatura crítica
Volumen específico crítico.
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Punto crítico del agua
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En el libro de Gengel, aparacen las propiedades críticas
para varias sustancias en el apéndice A-1
A presiones superiores a la crítica haycambio directo de fase líquida a vaporcon el consiguiente aumento de volumenespecífico.
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También son comunes. Son similarespero ya no con isóbaras, sino conisotermas.
Además la isotermas van hacia abajo.
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http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html
Hasta ahora en los diagramas vistos solo se ha trabajado con regiones líquidas y vapor.
Es posible que estén involucrados
los tres estados.
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En él se aprecian tres regiones, S, L, G,en las cuales el sistema se encuentra enlas fases, sólida, (hielo), líquida, (agua),y gaseosa, (vapor).
En cada una de estas regionesmonofásicas el estado del sistema vienedeterminado por dos cualesquiera de lastres propiedades que definen los ejes.
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http://iqtermodinamica.blogspot.com/2011/07/diagramas-pvt.html
Las propiedades sobre las líneas delíquido saturado y vapor saturado selistan en las tablas de saturación parauna sustancia dada.
El subíndice f hace referencia allíquido saturado y el subíndice g hacereferencia al vapor saturado. Elsubíndice fg es la resta entre los dosvalores.
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TABLAS DE SATURACIÓN Y CALIDAD : TABLAS DE
SATURACIÓN, MEZCLAS Y CALIDAD, LÍQUIDO
COMPRIMIDO, VAPOR SOBRECALENTADO.
MEZCLAS Y CALIDAD
Una mezcla es parte líquido saturado y parte vapor saturado.
Se pueden calcular las propiedades de la mezcla si se conoce cuánto de cada fase está presente.
Esto se expresa por la calidad (x) de la mezcla, que es la fracción de masa de vapor.
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Con objeto de poder evaporarse, una masa de agua, debe recoger una gran cantidad de calor de vaporización, lo cual produce enfriameinto, de modo que la evaporación es un potente mecanismo de enfriamiento
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